Тема 9. Гетероциклические соединения

Цель занятия: сформировать знания электронного строения и химических свойств гетероциклических соединений, играющих важную роль в биологической химии и медицине, составляющих основу метаболитов и лекарственных веществ.

Конкретные задачи

1. Студент должен знать: строение гетероциклических соединений – пиррола, фурана, тиофена, имидазола, пиразола, пиридина, пиримидина и пурина; электронное строение пиррольного и пиридинового атома азота; ароматичность и критерии ароматичности; реакции электрофильного замещения в гетероциклических ароматических системах; проявление кислотности и основности гетероциклических соединений.

2. Студент должен уметь: писать формулы пяти- и шестичленных гетероциклических соединений с одним или двумя гетероатомами, доказывать их ароматичность; писать уравнения реакций, показывающих их основные, кислотные и ароматические свойства; писать формулы пиримидиновых и пуриновых оснований в лактимной и лактамной формах; составлять структуры нуклеозидов, нуклеотидов, фрагментов первичной структуры нуклеиновых кислот.

Мотивация. Гетероциклические соединения широко распространены в природе и играют важную биологическую роль. Они входят в состав нуклеиновых кислот (пурин, пиримидин), пигментов растений и животных (пиррол), гормонов (индол), витаминов (пиррол, тиофен, пиридин), аминокислот (индол, имидазол, пирролидин), алкалоидов (пиридин, пиперидин); лекарственных препаратов (имидазол, хинолин, индол, пиразолон, пиридин), красителей (-оксииндол).

Вопросы для самоподготовки

1. Напишите структурные формулы 2.5-диметилфурана, 2-аминопиридина, 3-оксииндола, 2,6-диоксипиримидина; 2,6,8-триоксипурина.

2. Получите из пиридина никотиновую кислоту. Напишите уравнение реакции ее с NH₃.

3. Почему мочевая кислота проявляет кислотные свойства?

4. Напишите формулы пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот.

Этапы занятий и контроль усвоения знаний

Этапы занятия	Формы проведения этапа	Время, мин
1. Проверка выполнения домашнего задания.	Проверка преподавателем выполнения домашнего задания в рабочей тетради.	15
2. Контроль самоподготовки.	Тест-контроль по теме занятия и оценка его результатов (0, 5, 10 баллов)	15
3. Разбор теоретического материала.	Устный опрос студентов у доски, объяснение наиболее трудных вопросов преподавателем.	150

Содержание этапов занятия

1-й этап. Преподаватель проверяет наличие выполненного домашнего задания в рабочих тетрадях и оценивает его по пятибалльной системе.

2-й этап. Студент письменно отвечает на билет программированного контроля. Ответ оценивается по принятой балльной системе (0, 5, 10 баллов).

3-й этап. На 1 занятии по теме «Гетероциклические соединения» студенты учатся писать формулы пяти- и шестичленных гетероциклов с одним гетероатомом. Разбирают электронное строение «пиррольного» и «пиридинового» атомов азота, рассматривают свойства, характерные для этих соединений: ароматичность, кислотно-основные, нуклеофильные.

На 2 занятии рассматриваются пяти- и шестичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами: имидазол, пиразол, пиримидин, окси- и аминопрозводные пиримидина – урацил, тимин, цитозин в лактимной и лактамной формах; конденсированные гетероциклические соединения: индол, пурин, окси- и аминопроизводные пурина – аденин, гуанин, мочевая кислота в лактимной и лактамной форме; разбирается строение нуклеозидов, нуклеотидов, фрагментов полинуклеотидной цепи.

Теория

Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом:

фуран пиррол тиофен

Все эти соединения являются ароматическими, так как отвечают критериям ароматичности:

1. S² – гибридизованные атомы пиррола, фурана, тиофена образуют плоский - скелет;

2. количество - электронов удовлетворяет формуле Хюккеля (4n+2).

4 Электрона поставляют атомы углерода и 2 - электрона – гетероатомы N, O или S. Образуется - электронный секстет;

3. 6 - электронов образуют единое сопряженное облако, делокализованное по всему кольцу.

Общей чертой ароматических гетероциклов и производных бензола является высокая термодинамическая устойчивость.

Отличие от бензола:

1. 6 Электронов распределяются по пяти-центровой системе, поэтому такие системы называются суперароматическими, или - избыточными; реакции электрофильного замещения идут легче, чем в бензоле.

2. Из-за влияния гетероатома электронная плотность увеличена в -положениях кольца (2 и 5), поэтому атака электрофильного реагента происходит предпочтительно в эти положения.

3. Энергия сопряжения у пятичленных гетероциклических соединений меньше, чем у бензола (22-28 ккал/моль, а у бензола– 36 ккал/моль).

Поэтому легче идут реакции с раскрытием кольца. Например, реакции восстановления.